凹凸棒土對紙漿中壓敏膠留著率的影響

高慶春 程金蘭 杜書蘭 姚開扣

摘要：本研究主要以漂白針葉木漿、廢舊瓦楞紙箱（OCC）漿為纖維原料，壓敏膠為研究對象，將壓敏膠與漿料混合后再加入凹凸棒土及陽離子聚合物（P）抄造手抄片，研究了凹凸棒土對壓敏膠留著率及其對紙張強度的影響。結(jié)果表明，凹凸棒土不僅有助于減輕壓敏膠的粘缸危害，也有助于壓敏膠在紙張中的留著。當(dāng)凹凸棒土用量為5%時（對絕干漿），針葉木漿中壓敏膠的留著率高達(dá)99.9%，OCC漿紙張的抗張指數(shù)增加了5.4%。

關(guān)鍵詞：凹凸棒土；壓敏膠；留著率；強度

中圖分類號：TS7

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.08.006

近年來，隨著廢紙回收利用的增多[1]，廢紙漿中膠黏物的去除已成為學(xué)者研究的重點[2]。壓敏膠作為一種常用的膠黏劑，在包裝、書籍裝訂、不干膠、膠帶紙等方面有較多的應(yīng)用[3]，其化學(xué)組成主要為樹脂和橡膠，是廢紙回用膠黏物問題的重要來源之一。

在造紙工業(yè)的原料結(jié)構(gòu)中，填料的用量僅次于纖維，其中較常用的有滑石粉、碳酸鈣、高嶺土、二氧化鈦等礦物粉體[4-5]。填料的加填是為了改善紙張的性能，如白度、平滑度等，礦物粉體改性后也可以提高在造紙紙漿的留著率[6-8]。

凹凸棒土是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸黏土礦物，其理論化學(xué)式為Si8Mg5O20（OH）2（H2O）4·4H2O[9]。凹凸棒土的土質(zhì)細(xì)膩，有油脂滑感，密度較小，約為1.6，摩氏硬度2～3級。凹凸棒土礦物幾乎遍及世界各地，其中我國儲量最大[10]。凹凸棒土的顯微結(jié)構(gòu)主要有3個層次：①是棒狀或纖維狀的單晶體——棒晶；②是由棒晶緊密平行聚集而成的棒晶束；③是由棒晶束和棒晶相互聚集而成的各種聚集體[11]。這種天然納米纖維結(jié)構(gòu)和豐富的硅羥基對植物纖維有很強的親和力，能夠與植物纖維交織形成良好的纖維網(wǎng)絡(luò)，在有效增強紙張強度方面比同為纖維狀的硅灰石和硅酸鋁效果更好[12-14]。凹凸棒土有巨大的表面積，優(yōu)異的吸附性能，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、廢水處理等行業(yè)[15-17]，若將其添加于紙漿中，對漿中的各組分也會有很好的吸附性。近年來，凹凸棒土在造紙行業(yè)中的應(yīng)用也有了初步的研究，主要方向用作做填料，留著率比一般填料高，但凹凸棒土的價格比常用的造紙?zhí)盍细撸虼耍⒉徽純?yōu)勢。目前，國內(nèi)有關(guān)凹凸棒土對紙漿中壓敏膠的作用研究尚未見報道，本研究通過使用凹凸棒土來降低紙張中壓敏膠等膠黏物帶來的危害，以便對凹凸棒土進行高附加值利用。

1實驗

1.1實驗原料

漂白硫酸鹽針葉木漿板，由金東紙業(yè)（江蘇）股份有限公司提供；國產(chǎn)廢舊瓦楞紙箱（OCC）；商品標(biāo)簽紙（碎解后作壓敏膠使用）；壓敏膠，白色乳液狀，平均粒徑為193 nm，由南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院膠黏劑研究室提供；凹凸棒土，白色固體超細(xì)粉末，平均粒徑811 nm，由南京亞東礦業(yè)有限公司提供；滑石粉，平均粒徑1618 nm；陽離子聚合物（P），由金東紙業(yè)（江蘇）股份有限公司提供。

1.2實驗儀器

本研究使用的儀器如表1所示。

1.3實驗方法

1.3.1漿料準(zhǔn)備

將漂白硫酸鹽針葉木漿板撕成小塊，浸泡過夜后，按TAPPI T 200 sp-01，用Valley打漿機打漿至40°SR左右，用脫水機擠去水分，將制得的針葉木漿放冰箱冷藏備用。將OCC先用水力碎漿機碎漿5 min，碎漿濃度10%，再用Valley打漿機疏解20 min，制得OCC漿，打漿度為45°SR。 標(biāo)簽紙用九陽料理機進行碎解，碎解濃度5%，制得標(biāo)簽紙漿。

1.3.2壓敏膠留著率測定

（1）配制梯度濃度的壓敏膠乳液，用2100Q IS濁度儀測定其濁度，繪制壓敏膠濃度與濁度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

（2）將500 mL濃度為1%的針葉木漿與一定量的壓敏膠（絕干質(zhì)量為M）進行混合，倒入真空抽吸動態(tài)濾水儀中攪拌均勻，其中濾水儀網(wǎng)目為80目，轉(zhuǎn)速為750 r/min，收集前100 mL濾液。

（3）將上述濾液離心處理，轉(zhuǎn)速10000 r/min，離心30 min，取上清液測其濁度。根據(jù)圖1中壓敏膠濁度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線推算其濃度C，壓敏膠留著率（R）的計算如公式（1）所示。

1.3.3標(biāo)簽紙漿膠黏物黏附量測定

將標(biāo)簽紙漿按不同用量（5%、10%、15%、20%）與針葉木漿均勻混合，采用RK-2A快速抄片機抄造手抄片，將預(yù)先干燥并稱質(zhì)量的鋁箔覆蓋于成形后的濕手抄片上，用羊毛滾筒壓平，轉(zhuǎn)移至抄片器的干燥部中真空干燥，干燥后手工將鋁箔與手抄片分離，稱取此時鋁箔的質(zhì)量，按公式（2）計算膠黏物的黏附量（m），精確到0.0001 g。

1.3.4紙張強度測定

將針葉木漿和OCC漿中分別添加壓敏膠、陽離子聚合物（P），再加凹凸棒土后，采用RK-2A快速抄片機抄造手抄片，定量為70 g/m2，采用WZL-300紙張拉力儀進行紙張強度測定，研究凹凸棒土對含壓敏膠針葉木漿和OCC漿紙張強度的影響。

2結(jié)果與討論

2.1不同凹凸棒土用量對壓敏膠留著率的影響

在實際生產(chǎn)中，廢紙制漿時經(jīng)過熱分散處理，使?jié){中的熱熔膠、壓敏膠、塑料片、油墨顆粒等雜質(zhì)在高溫下軟化并分散成極微小的顆粒，與纖維均勻混合，從而完成漿料的熱分散。標(biāo)簽紙漿中除了壓敏膠，還有涂布膠乳，以及其他一些造紙化學(xué)品，為了進一步減少標(biāo)簽紙漿中其他組分對實驗結(jié)果的干擾，采用分散良好的壓敏膠乳模擬標(biāo)簽紙漿回用時的壓敏膠。將壓敏膠乳與針葉漿混合進行壓敏膠留著率和對成紙物理性能影響的研究。使用不同用量的凹凸棒土對含10%壓敏膠的漿料進行處理后，壓敏膠在漿料中的留著結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，壓敏膠本身在漿料中的留著率不高，壓敏膠呈負(fù)電性，跟同樣帶負(fù)電性的纖維結(jié)合力弱，而且壓敏膠乳液粒徑小，容易通過濾網(wǎng)流失。添加凹凸棒土后，留著率大幅提升，在凹凸棒土用量為5%（對絕干漿，以下同）時，紙漿中壓敏膠的留著率最高達(dá)到99.9%，對比未加入凹凸棒土的空白組，留著率增加超過7.5倍。這表明，在凹凸棒土用量為5%時，凹凸棒土能有效吸附或包裹住壓敏膠等雜質(zhì)，并通過自身羥基與纖維的氫鍵結(jié)合使得膠黏物留存在紙漿當(dāng)中，可以增加白水潔凈度，提高白水回收利用率。

2.2不同礦物粉體對壓敏膠留著率的影響

滑石粉除作填料外，也常被應(yīng)用于二次纖維造紙中的樹脂控制劑，降低漿料中膠黏物的干擾[18]。本研究采用滑石粉作為對照，分析凹凸棒土對壓敏膠的留著效果。為避免其他雜質(zhì)對實驗的干擾，本研究在針葉木漿中加入10%的壓敏膠以及陽離子聚合物（P）（漿+膠+P，作為對照組），然而再分別加入5%凹凸棒土或10%的滑石粉進行對比分析。壓敏膠留著率實驗結(jié)果見圖3。

圖 3不同填料對壓敏膠留著率的影響

由圖3可以看出，添加凹凸棒土的針葉木漿中壓敏膠的留著率略高于對照組，遠(yuǎn)高于添加滑石粉的。一方面是因為凹凸棒土和壓敏膠之間的結(jié)合力可能大于滑石粉和壓敏膠之間的結(jié)合力，另一方面是因為壓敏膠帶負(fù)電性，添加陽離子聚合物（P）后，可以大大提高壓敏膠在同樣帶負(fù)電的纖維表面的吸附，有效提升壓敏膠的留著率。另外，添加陽離子聚合物（P）后，漿料中的細(xì)小組分被保留下來，同樣增加了留著率。因此，相對于滑石粉的片狀結(jié)構(gòu)，凹凸棒土的纖維狀結(jié)構(gòu)更容易與纖維結(jié)合，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，留存于漿料中。

2.3凹凸棒土對標(biāo)簽紙漿膠黏物黏附性能的影響

將標(biāo)簽紙漿按5%、10%、15%、20%的用量與針葉木漿混合均勻，加入0.02%的陽離子聚合物（P），再添加5%的凹凸棒土抄造手抄片，以此作為實驗組，不添加凹凸棒土作為對照組，膠黏物黏附量實驗結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，膠黏物的黏附量隨標(biāo)簽紙漿用量的增加而增加，在含標(biāo)簽紙漿的針葉木漿中添加凹凸棒土后，膠黏物的黏附量均有所下降，其中，在標(biāo)簽紙漿用量為15%～20%時，下降最多，近50%，這表明凹凸棒土對壓敏膠膠黏物有一定的控制作用。

2.4凹凸棒土對含壓敏膠針葉木漿強度的影響

采用針葉木漿為纖維原料，加入0.02%的陽離子聚合物（P），按照1%、2%、5%的不同用量添加壓敏膠后，再添加5%的凹凸棒土作為實驗組抄造手抄片，對照組則不添加凹凸棒土。手抄片恒溫恒濕24 h后進行紙張強度測定，實驗結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)壓敏膠用量為1%時，加入凹凸棒土后，紙張的抗張指數(shù)下降了12.0%，當(dāng)壓敏膠用量分別為2%和5%時，紙張的抗張指數(shù)分別下降了2.9%和2.3%。這主要是因為凹凸棒土對壓敏膠顆粒有包裹作用，減少了壓敏膠對纖維的黏結(jié)作用，從而降低了紙張抗張指數(shù)。

2.5凹凸棒土對含壓敏膠OCC漿強度的影響

采用OCC漿為纖維原料，加入5%的壓敏膠以及0.02%的陽離子聚合物（P）后再分別加入2.5%和5%的凹凸棒土抄造手抄片，手抄片恒溫恒濕24 h后進行紙張強度測定，實驗結(jié)果見圖6。

由于OCC漿本身含有膠黏物等雜質(zhì)，當(dāng)加入壓敏膠后紙張強度還是略有提升，增加了2.50%。這是因為壓敏膠起到了黏結(jié)纖維、增加紙張強度的作用，在不引起粘缸等危害的前提下，可加以保留。由圖6可以看出，在加入2.5%凹凸棒土后，紙張的抗張指數(shù)增加了3.6%，在加入5%凹土棒土后，紙張的抗張指數(shù)增加了5.4%。這表明凹凸棒土對OCC漿紙張強度均有所提升，但效果不明顯。

3結(jié)論

3.1當(dāng)凹凸棒土的用量為5%時，針葉漿中壓敏膠的留著率達(dá)到99.92%，凹凸棒土對針葉漿中壓敏膠的留著率有提升作用，且效果優(yōu)于滑石粉。

3.2含壓敏膠的針葉木漿添加不同用量凹凸棒土后，手抄片的抗張指數(shù)有所下降，當(dāng)壓敏膠用量為1%、2%和5%時，其抗張指數(shù)分別下降12.0%、2.9%和2.3%。

3.3含壓敏膠和陽離子聚合物的OCC漿中加入凹凸棒土，可以提高紙張的強度，但效果不明顯。

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（責(zé)任編輯：吳博士）